The Knowledge Frontier

FizikiaChapisho la awaliJaribioDakika 4 za kusoma

LEZA THABITI ZAIDI KUWAHI KUJENGWA

Saa bora za atomiki huhesabu mitetemo ya mwanga unaofyonzwa na atomu. Ili kufanya hivyo, zinahitaji leza ambayo masafa yake hayasogei karibu kabisa, ili iweze kuchunguza mipito ya atomiki iliyo myembamba mno. Leza thabiti zaidi leo zimefungwa kwenye kitundu cha silikoni cha baridi kali (cryogenic silicon cavity): vioo viwili vilivyoshikiliwa mbali na kipande cha silikoni ya fuwele moja, kilichopozwa chini sana ya halijoto ya chumba. Mwanga unaodunda kati ya vioo hivyo hutoa mwangwi katika masafa sahihi kabisa tu, na leza hulazimishwa kuyafuata.

Vitundu vya namna hiyo tayari hufikia uthabiti wa kiuwiano katika kiwango cha 10⁻¹⁷ — masafa huyumba kwa takriban sehemu moja ya milioni mia ya bilioni ya thamani yake. Katika majaribio mengi, leza bado ni mojawapo ya vyanzo vikuu vya kelele — kwa hiyo leza thabiti zaidi huboresha kipimo papo hapo.

Vioo vinavyotetemeka

Kinachowekea mipaka vitundu bora vya silikoni ni kelele ya joto ya Brown (Brownian thermal noise) katika mipako ya vioo: tabaka nyembamba za kuakisi hazitulii kabisa kamwe, kwa sababu joto hufanya atomu zake zitetemeke. Mwendo huo mdogo hubadilisha urefu wa kitundu, na pamoja nao rangi ya mwanga.

Ben Lewis, Jun Ye na wenzao katika JILA (NIST na Chuo Kikuu cha Colorado, Boulder), pamoja na wanafizikia kutoka Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) huko Braunschweig, Ujerumani, walifanya mabadiliko mawili kwa vitundu vya awali vya silikoni vya sentimita 21:

  • Baridi zaidi. Mifumo ya awali ilifanya kazi katika K 124, mojawapo ya halijoto ambazo silikoni huacha kupanuka au kusinyaa kutokana na joto. Kitundu kipya, kilichopewa jina Si7, hufanya kazi ama katika K 16, halijoto nyingine ya aina hiyo, au katika K 6, baridi kali zaidi ambayo kriostati yake inaweza kufikia.
  • Mwale mpana zaidi. Kwa kutumia kioo kilichopinda kidogo zaidi (nusu-kipenyo cha mpindo cha mita 10.2 badala ya mita 1), doa la mwanga kwenye vioo hukua kutoka nusu-kipenyo cha mikromita 480 hadi 850 — kupanua mwale ni mojawapo ya njia zinazojulikana za kupunguza kelele ya joto.

Kwa pamoja, yanapunguza kelele ya joto mara tatu hadi tano ikilinganishwa na mifumo ya awali.

Kupambana na mitetemo katika baridi

Mabadiliko yote mawili kwa kawaida hufanya kitundu kuwa nyeti zaidi kwa mitetemo, na kufikia K 6 au 16 kunahitaji kipozaji cha heliamu — mashine inayotikisika. Timu iliweka kipozaji hicho sakafuni kando ya meza ya macho, ikipeleka heliamu baridi kwa mabomba hadi kwenye jaribio. Kitundu, kikishikiliwa katikati yake na vitufe vitatu vya rubi vyenye kipenyo cha milimita 6, kimekalia meza ya kutenga mitetemo kwa bidii.

Baridi huleta tatizo jingine: karibu na sifuri kamili, vitu huhifadhi joto kidogo sana, kwa hiyo mabadiliko ya halijoto ni magumu kuyapunguza. Suluhisho lilikuwa erbiamu, ambayo katika K 16 huhifadhi joto mara 6 zaidi kwa kila ujazo kuliko chuma cha pua na mara 13 zaidi kuliko shaba. Matabaka ya kinga na vipande vya erbiamu hupunguza kasi ya badiliko lolote la halijoto hadi kipimo cha muda cha takriban siku nne. Kihisi cha udhibiti hushikiliwa katika K 16.183, na kihisi huru hubaki ndani ya sehemu 100 za milioni za nyuzi kutoka lengo lake.

Rekodi

Ikilinganishwa na vitundu vingine viwili vya silikoni na saa ya atomiki ya strontiamu, leza hufikia:

  • katika K 6, uthabiti wa kiuwiano wa 7 × 10⁻¹⁸ kwa wastani wa sekunde 2 hadi 50 — rekodi mpya: mabadiliko ya takriban sehemu 1.4 tu za elfu ya hezi — na upana wa mstari (msambao wa masafa ya leza yenyewe) wa milihezi 2.5, kwenye masafa ya mwanga ya terahezi 194;
  • katika K 16, 9 × 10⁻¹⁸, upana wa mstari wa mHz 2.9, lakini tabia bora zaidi kwa siku kadhaa.

Kelele hushuka kitundu kinapozidi kuwa baridi, jambo linaloonyesha kwamba leza imefikia kikomo chake kilichokusudiwa: kelele ya joto ya mipako, si mitetemo wala vifaa vya elektroniki.

Katika mizunguko miwili ya siku 14 na 7, saa ya strontiamu ilifuatilia mhamo wa polepole wa kitundu: chini ya mikrohezi 4 kwa sekunde, unaolingana na maseri ya hidrojeni (oscileta ya marejeo ya maabara za muda) na mara kumi chini ya vitundu vya silikoni vinavyofanya kazi katika K 124. Kitundu kilifikia hapo miezi tisa baada ya kupozwa; vitundu vya K 124 vilichukua muongo mmoja.

Kuzitazama atomu kwa sekunde nyingi

Leza tayari iko kazini. Ikiendesha saa ya kimiani ya strontiamu (atomu zilizonaswa ndani ya kimiani cha mwanga wa leza), inaruhusu atomu kuchunguzwa kwa zaidi ya sekunde 10 — na kadiri uchunguzi unavyodumu zaidi, ndivyo mstari wa atomu unavyokuwa mwembamba zaidi, hivyo saa inaweza kupata kitovu chake kwa usahihi zaidi. Baada ya sekunde 12, ishara ya mwingiliano (pindo za Ramsey) bado inabaki na asilimia 75 ya utofauti wake, na mpigo mmoja wa sekunde 12.4 hutoa mstari wenye upana wa milihezi 64 tu. Hali ya msisimko ya strontiamu-87 inayotumiwa na saa huishi takriban sekunde 170 — mpaka unaofuata kwa muda wa uchunguzi.

Kuelekea 10⁻¹⁸

Leza mpya itachukua nafasi ya marejeo ya awali ya JILA na, kwa mujibu wa waandishi, itaziwezesha saa zote za macho za mtandao wa Boulder kufikia usahihi fulani hadi mara kumi mapema zaidi. Mipako ya vioo ya kifuwele ingeweza kupunguza kelele ya joto hadi takriban 1.5 × 10⁻¹⁸ katika K 6; vitundu baridi zaidi na virefu zaidi au miale mipana zaidi vingeweza kuisukuma hadi 1 × 10⁻¹⁸ au chini zaidi. Fumbo moja linabaki: kelele ya ziada zaidi ya sekunde 100, ambayo chanzo chake hakuna kihisi ndani ya kriostati kinachoweza bado kukibainisha.